1.1.1 Détermination des mélanoblastes dans la crête neurale et migration par la voie dorso-latérale
La crête neurale est une structure transitoire d’origine neuroectodermique, spécifique des embryons de Vertébrés. Elle se forme tout le long de l’axe antéro-postérieur. Chez l’embryon de poulet, elle se forme entre le premier et le deuxième jour du développement, chez la souris, entre le huitième et le neuvième jour du développement embryonnaire (E8 et E9) et, chez l’homme, au cours de la troisième semaine de gestation. Les cellules de la crête neurale sont induites à la frontière entre le futur épiderme et le futur système nerveux central (le tube neural), au moment où ceux-ci se séparent l’un de l’autre (Moury and Jacobson, 1989, 1990; Selleck and Bronner-Fraser, 1995). Les principaux dérivés de la crête neurale sont : les neurones et les cellules gliales du système nerveux périphérique, les mélanocytes, les cellules musculaires lisses, le tissu conjonctif et enfin le cartilage et les éléments du squelette crânien
72 (Le Douarin, et al., 2004). La crête neurale est à l’origine de la plupart des cellules pigmentaires du corps des Vertébrés (Rawles, 1947). Les mélanocytes des follicules pileux, de l’épiderme, du derme, de la choroïde, de la glande de Harder et de la stria vascularis de l’oreille interne sont dérivés de la crête neurale (Steel and Barkway, 1989). Seuls les mélanocytes de l’épithélium pigmentaire de la rétine (RPE pour retinal pigment epithelium) ont une origine différente ; ils dérivent de la cupule optique.
La délamination est le processus qui conduit au détachement et à la migration d'une population de cellules présente au sein d'un épithélium auparavant homogène. Les dérivés des cellules de crête neurale délaminent tous à partir de la surface dorsale du tube neural. La distribution finale de chaque dérivé est, quant à elle, spécifique. Deux modèles sont avancés pour expliquer les différences de distribution des dérivés de crêtes neurales.
Le premier modèle postule que les cellules de la crête neurale quittant le tube neural sont multipotentes. Les cellules en migration subissent une restriction de leurs potentialités en fonction du micro-environnement rencontré. Dans ce modèle, le micro-environnement joue un rôle primordial en orientant les précurseurs multipotents vers un phénotype précis et en permettant la survie et la maturation de sous-populations déjà déterminées (Le Douarin, et al., 1993; Reedy, et al., 1998; Selleck and Bronner-Fraser, 1995; Stemple and Anderson, 1993). Pour une cellule, la détermination correspond à l’acquisition, en principe irréversible, de sa destinée. Selon ce premier modèle, des cellules de crête neurale sont déterminées en tant que mélanoblastes dans la zone de migration constituée par l’espace entre la surface dorsale du tube neural, les somites et l’ectoderme, appelé MSA (migration staging area) (Serbedzija, et al., 1990; Serbedzija, et al., 1994).
Au contraire, le deuxième modèle postule que les cellules de crête neurale sont déterminées dès leur émergence du tube neural et empruntent la voie de migration dictée par leur détermination. Ce modèle n’exclut pas que la spécification soit réversible. Chez le poulet, des expériences de greffes et des études sur le développement du lignage mélanocytaire in vivo et in vitro ont montré que :
• la détermination des cellules de crête neurale en tant que précurseurs de mélanoblastes a lieu avant leur entrée dans la voie de migration dorso-latérale,
• les mélanoblastes migrent préférentiellement selon la voie dorso-latérale,
• seuls les mélanoblastes ont la capacité d’entrer dans la voie de migration dorso-latérale (Erickson and Goins, 1995; Reedy, et al., 1998).
73 Les mélanoblastes émergent des crêtes neurales, tandis que les mélanocytes fonctionnels se trouvent essentiellement dans l’épiderme et les follicules pileux. Les précurseurs des mélanocytes doivent donc migrer depuis la zone de détermination jusqu’au lieu de différenciation qui correspond à leur emplacement définitif. Chez la souris, le profil de migration des mélanocytes a été mis en évidence par coloration des cellules de crête neurale avec des colorants vitaux (Serbedzija, et al., 1990; Serbedzija, et al., 1994) et par l’étude du profil d’expression du gène Dct (Dopachrome tautomérase), aussi appelé Tyrp2 (Tyrosine related protein 2) (Steel, et al., 1992). Les mélanoblastes migrent par la voie dorso-latérale, entre le dermomyotome et la lame basale de l’ectoderme (Figure 24). Chez la souris, la migration dorso-latérale a lieu entre E8 et E12,5 (Hirobe, 1995; Serbedzija, et al., 1990; Serbedzija, et al., 1994).
Figure 24 : Représentation schématique de la voie de migration des cellules de crête neurale (Serbedzija, et al., 1990)
Au stade embryonnaire E9, les cellules dérivées de la crête neurale suivent deux voies distinctes : (1) la voie dorso-latérale entre le dermomyotome et l’épiderme (DLP) et (2) la voie ventrale entre le tube neural et le dermomyotome (VL).
1.1.2 Les précurseurs des cellules de Schwann, un nouveau réservoir de mélanoblastes
L’ensemble des données présentées ci-dessus a établi que toutes les cellules pigmentaires présomptives suivent la voie dorso-latérale, pour ensuite envahir la peau et se différencier en mélanocytes. Pourtant, une étude récente montre que le système nerveux
74 périphérique présent dans la peau pendant le développement est à l’origine d’un grand nombre de mélanocytes (Adameyko, et al., 2009). Selon cette étude, les précurseurs des cellules de Schwann ou SCP (Schwann cell precursors), en contact avec les axones, donnent naissance non seulement à des cellules gliales, via le processus de gliogenèse, mais aussi à des mélanocytes. Le potentiel de développement et la plasticité des SCP sont les questions au centre de cette étude.
Origine et différenciation des SCP
Les SCP dérivent des cellules de la crête neurale qui migrent pour former le système nerveux périphérique pendant le développement embryonnaire. Chez la souris, durant les stades E9,5 à E14, les cellules dérivées de crête neurale, situées à l’intérieur ou à la surface des nerfs du système nerveux périphérique, sont appelées les SCP. A ce stade, ces cellules ne possèdent plus les caractéristiques biochimiques et morphologiques des cellules de la crête neurale (pour revue voir (Jessen and Mirsky, 2005)). De façon caractéristique, leur survie dépend de leur contact avec le système nerveux (Jessen, et al., 1994). Ces cellules vont donner naissance à toutes les cellules de Schwann du système nerveux adulte via un processus défini. Pendant un stade intermédiaire, des cellules de Schwann dites immatures se distinguent des SCP. En effet, ces cellules de Schwann immatures expriment des marqueurs moléculaires différents des SCP, elles possèdent une lame basale et elles ne dépendent plus d’un contact direct avec les axones pour survivre, puisqu’elles possèdent leur propre circuit autocrine (Jessen and Mirsky, 2005; Meier, et al., 1999).
À l’heure actuelle, il est postulé que les SCP sont générés en l’absence d’autres signaux. Leur voie de différenciation à partir des cellules de crête neurale est considérée comme une voie par défaut. Les signaux impliqués dans le contrôle de la gliogenèse à partir de la crête neurale, comme NRG1 (neuregulin-1), BMP2 et 4 (bone morphogenic protein) et Notch, ont pour fonction d’inhiber le développement des cellules gliales, ou de supprimer ou d’activer le développement neuronal (Morrison, et al., 2000; Shah, et al., 1994; Shah, et al., 1996). Il est difficile de prouver que ces facteurs initient positivement la gliogenèse. De plus, bien que le facteur de transcription SOX10 (SRY-box containing gene 10) soit nécessaire au développement de la glie, il est en fait exprimé par toutes les cellules de la crête neurale. Ce facteur ne semble donc pas faire partie d’une cascade de signaux responsables spécifiquement du développement de la glie (Britsch, et al., 2001). Ainsi, la détermination des SCP n’est pas régulée par des facteurs spécifiques mais par des activités combinatoires de plusieurs signaux étroitement connectés au système nerveux.
75 Nouveau panorama sur les origines et la migration des mélanoblastes
Le dogme, admis jusque récemment, postulait que toutes les cellules pigmentaires présomptives sont uniquement issues de la voie dorso-latérale. Cependant les études qui ont permis de montrer ce fait ne posaient pas la question de comment les mélanoblastes migrent jusqu’au futur derme des régions ventrales du corps et des membres. L’étude réalisée par Adameyko et collaborateurs en 2009 a permis de caractériser plus particulièrement la migration des mélanoblastes vers la peau. Des preuves y sont présentées de l’existence d’une voie de développement des mélanoblastes qui est distincte de la voie dorso-latérale, d’un point de vue spatial et temporel, et qui est associée à l’émergence des nerfs spinaux (Adameyko, et al., 2009). Ces résultats suggèrent que les dérivés de la crête neurale empruntant la voie ventrale sont une source possible de mélanoblastes (Figure 25). Des expériences de traçage du lignage mélanocytaire ont permis d’identifier les SCP associés au système nerveux périphérique comme la source principale des mélanoblastes et des mélanocytes matures (pigmentés) dans la peau de l’adulte (Adameyko, et al., 2009).
Figure 25 : Voies de migration des cellules de crête neurale (Ernfors, 2010)
Les principaux types de cellules dérivées de crête neurale (NCCs) qui migrent par la voie ventrale sont les précurseurs des cellules sensorielles, des cellules sympathiques et des cellules de Schwann (SCPs). Les précurseurs des cellules de Schwann donnent naissance aux cellules de Schwann, aux mélanocytes et aux fibroblastes endoneuraux.
SC (spinal cord) pour la moelle épinière ; DM pour dermomyotome ; NCCs (neural crest derived cell types) pour cellules dérivées de la crête neurale
76 Figure 26 : Illustration schématique des signaux et interactions dans le système nerveux
périphérique (Ernfors, 2010)
Il a été démontré qu’une situation dans laquelle il y a diminution du signal NRG1 et augmentation des signaux IGF/PDGF entraîne la cellule à emprunter la voie du lignage mélanocytaire. Ainsi le mécanisme proposé est le suivant : les SCP migrent le long des nerfs et se différencient en cellules de Schwann immatures ou matures, ce qui diminue le contact nerveux et le signal NRG1 et favorise donc la destinée mélanocytaire. Au même moment du développement, les niveaux de IGF/PDGF produits par les cellules de Schwann immatures et matures augmentent et favorisent la détermination des SCP en mélanoblastes. Les mélanoblastes ainsi spécifiés prolifèrent massivement puis migrent vers les follicules pileux et la membrane basale de l’épiderme, sous l’influence des facteurs de localisation (« homing factors ») et d’expansion exprimés dans la peau.
77 Au vu des résultats obtenus, la question s’est posée de l’existence d’un mécanisme similaire chez l’adulte. Bien que les cellules de Schwann différenciées ne puissent pas donner de mélanoblastes au cours du développement, il a été montré que ces cellules restent compétentes pour produire des cellules pigmentées chez l’adulte. Lorsque des cellules de Schwann différenciées sont confrontées à un nouvel environnement, à la suite par exemple de la perte de contact avec le système nerveux périphérique, elles sont capables de donner des cellules pigmentées (Adameyko, et al., 2009). Le choix de la destinée cellulaire entre la glie et le mélanocyte dépend donc du contact avec les axones.
Pour analyser les bases moléculaires de ce phénomène, une lignée de souris délétée pour le gène ErbB3 a été étudiée (Adameyko, et al., 2009). Ce gène exprime l’un des composants de l’hétérodimère ErbB2/ErbB3, le récepteur tyrosine kinase du ligand NRG1. NRG1 est synthétisé par les neurones sensoriels et moteurs, il est localisé dans la membrane des axones (Bermingham-McDonogh, et al., 1997; Ho, et al., 1995). Ce ligand s’accumule dans les axones au moment où les SCP colonisent les nerfs spinaux. NRG1 est essentiel à la survie de ces précurseurs (Riethmacher, et al., 1997). Il semble réguler la balance entre les cellules gliales et les mélanocytes. L’étude de la délétion du gène ErbB3 a permis d’analyser le rôle joué par NRG1 dans le développement des mélanocytes. Cette délétion induit une augmentation du nombre de mélanoblastes au stade embryonnaire E12 aux extrémités distales des nerfs spinaux, malgré une diminution globale des SCP le long du système nerveux périphérique (Adameyko, et al., 2009). De plus, une expérience in vitro a montré que l’addition de NRG1 sur des cellules gliales en culture réduit le nombre de mélanoblastes nouvellement formés (Adameyko, et al., 2009). Ces deux résultats montrent que NRG1 régule négativement la détermination des SCP en mélanoblastes.
La survie des SCP est sous le contrôle du facteur NRG1 jusqu’à leur transformation en cellules de Schwann immatures, qui produisent et répondent aux facteurs autocrines de survie IGF (insulin-like growth factor) et PDGF (platelet-derived growth factor) (Meier, et al., 1999). Ces facteurs autocrines entraînent les SCP restants dans la voie de différenciation du lignage mélanocytaire (Adameyko, et al., 2009). Lorsque les SCP se multiplient, le signal NRG1 devient limitant du fait d’une compétition entre les cellules pour le contact nerveux. Parallèlement, ces précurseurs se différencient en cellules de Schwann immatures, ce qui entraîne une augmentation du niveau des facteurs IGF/PDGF. La balance entre NRG1 et IGF/PDGF est alors inversée en faveur de la détermination des SCP en mélanocytes (Figure
79 Chez le poisson zèbre, l’existence d’une autre population de précurseurs de mélanoblastes que celle issue de la voie dorso-latérale avait déjà été postulée. Yang et Johnson avaient fait l’hypothèse que les cellules de la crête neurale du poisson zèbre engendrent non seulement des mélanoblastes et des mélanocytes matures, mais aussi une population de cellules quiescentes de réserve. Cette population peut être recrutée pendant le développement larvaire ou la régénération d’un organe, par un mécanisme encore inconnu, pour donner de nouveaux mélanocytes (Yang and Johnson, 2006). L’identité de ces cellules, appelées « cellules souches de mélanocytes » est inconnue. Il a tout de même été découvert que les mélanocytes nouvellement régénérés proviennent d’une source non identifiée de cellules non pigmentées, dont le processus de différenciation dépend du récepteur ErbB (Hultman, et al., 2009). Chez le poisson zèbre adulte, il existe donc des mélanocytes qui ont une origine indépendante des dérivés connus de la crête neurale. Ils sont déjà présents dans la larve et leur différenciation dépend de la voie de signalisation NRG. Les SCP, identifiés comme une source de mélanocytes par Adameyko et collaborateurs, ressemblent aux cellules souches de mélanocytes, dont l’existence est postulée chez le poisson zèbre (Adameyko and Lallemend, 2010).
Jusque récemment, il était admis que les mélanoblastes de la voie dorso-latérale migrent sous l’épiderme pour coloniser l’ensemble de la peau du tronc et des membres, puis traversent la lame basale de l’épiderme. Beatrice Mintz avait fait l’hypothèse que les mélanocytes du pelage étaient des dérivés clonaux d’un petit nombre de mélanoblastes et que tous les clones proliféraient de façon identique pour générer une bande de couleur transversale du pelage. Ces travaux suggéraient également un faible mélange des cellules entre les différents clones (Mintz, 1967). Une étude plus récente, basée sur l’analyse clonale d’une seule cellule dérivée de crête neurale marquée génétiquement (Wilkie, et al., 2002), montre qu’il existe un grand nombre de progéniteurs de mélanoblastes et que les mélanocytes dérivés d’un progéniteur forment une grappe de cellules dans la peau. Ces grappes de mélanocytes s’entremêlent les unes avec les autres, entraînant souvent un chevauchement des mélanocytes descendants de différents progéniteurs (Wilkie, et al., 2002). Wilkie et collaborateurs ont déduit de ces résultats qu’il existe trois phases au cours du développement des mélanoblastes : une première phase de prolifération, suivie d’une phase de migration sans
80 Figure 27 : Illustration conceptuelle des origines cellulaires et des voies de migration des
mélanocytes (Ernfors, 2010)
A- La voie de migration dorso-latérale telle qu’elle est décrite originellement. Les cellules dérivées de crête neurale adoptent un destin mélanocytaire peu après la délamination, puis migrent sans proliférer sous l’épiderme vers une zone précise de la peau. Une fois la destination atteinte, les mélanocytes prolifèrent massivement.
B- Les SCP comme précurseurs de mélanocytes. Les cellules dérivées de crête neurale qui n’empruntent pas la voie neuronale s’associent avec les nerfs et adoptent la voie des SCP. Ceux-ci migrent le long des ramifications dorsale et ventrale vers des localisations cutanées. Aux extrémités nerveuses, quelques SCP empruntent une destinée mélanocytaire : ils se détachent des nerfs et se dirigent vers la peau où ils prolifèrent massivement.
SC (spinal cord) pour moëlle épinière ; NCCs (neural crest derived cell types) pour cellules dérivées de la crête neurale.
81 prolifération et enfin une seconde phase de prolifération des cellules dispersées dans le corps (Figure 27A).
Les SCP ont été identifiés comme un deuxième groupe de précurseurs de mélanoblastes présents au niveau du système nerveux périphérique (Adameyko, et al., 2009). Tout en proliférant, les SCP migrent le long des nerfs nouvellement formés. Certains se détachent de l’extrémité des nerfs pour donner naissance à des mélanoblastes (Figure 27B). Il a été montré que la majorité des mélanocytes de l’épiderme et des follicules pileux, du tronc et des membres, dérivent des SCP (Adameyko, et al., 2009). De plus, des analyses histologiques ont révélé que les souris perdent un grand nombre de mélanoblastes dérivés de la voie dorso-latérale peu après que la migration ait débuté (Adameyko, et al., 2009). Ces résultats montrent une faible contribution des mélanoblastes de la voie dorso-latérale dans la production des mélanocytes de l’épiderme et des follicules pileux de la souris. Wilkie et collaborateurs avaient observé que la différenciation des mélanocytes avait lieu en grappes. Ils expliquaient ce phénomène par l’absence ou la quasi-absence de prolifération des mélanoblastes pendant leur migration. L’existence des SCP en tant que précurseurs des mélanocytes est finalement la raison probable de ce phénomène de différenciation en grappes. En effet, les SCP migrent et prolifèrent le long des nerfs qui se ramifient jusque dans la peau des différentes régions du corps (Figure 27B). L’ensemble des mélanocytes, différenciés à partir d’un seul SCP situé dans une région de la peau, peut donc former une grappe de cellules.
Chez la souris, des mélanoblastes migrent dans toutes les régions du corps, entre E14,5 et E16, puis ils se déplacent vers les bourgeons des follicules pileux pour coloniser la couche la plus interne de la matrice du bulbe pileux (Hirobe, 1992, 1995; Jordan and Jackson, 2000). Des expériences de culture de peau de souris transgéniques Dct-lacZ qui expriment le rapporteur LacZ dans les mélanoblastes et les mélanocytes (voir plus bas) ont permis de montrer que la migration des mélanoblastes est liée à la formation du follicule pileux (Jordan and Jackson, 2000). La colonisation du follicule pileux par les mélanoblastes est un mécanisme actif qui fait intervenir un chimio-tactisme positif vers la base du follicule. Lorsque les mélanoblastes ont colonisé les follicules pileux, leur développement est étroitement lié à celui du follicule pileux.
83
1.2 Développement du follicule pileux et cycle de vie